海南东方热带气旋的极端降水特征及个例分析

王 瑶，吴胜安，郑重宇，高 平，陈帮萍

（1. 海南省南海气象防灾减灾重点实验室，海南 海口 570203；2. 海南省东方市气象局，海南 东方 572600；3.海南省气候中心，海南 海口 570203；4. 海南省白沙黎族自治县气象局，海南 白沙 572800）

东方市地处海南省西南部的北部湾畔，地势东高西低，东南部为山地和丘陵，西北部为平原和台地，地势较低［1］. 热带气旋（简称TC，下同）是影响东方市的主要灾害性天气之一.TC 不仅会带来明显的风雨潮，台风暴雨有时还会引发城市内涝、海水倒灌及山体滑坡、泥石流等衍生灾害［2］.TC降水具有降水量大、降水范围广，致灾风险高等特点. 蒋贤玲等［3］结合相对降水阈值，选取特大暴雨作为TC 极端降水的研究对象进行统计分析，东方市在海南岛TC极端降水频数排名中排名第五. 造成TC极端降水的因素有很多，陈联寿等［4］指出大气环流是影响TC 移动路径以及降水分布的因素之一，董美莹等［5］指出热带气旋强降水的出现主要是因为有持续水汽输送和强盛上升运动的结果. 天气系统相互作用、下垫面条件、垂直风切变等因素如果能导致这两个基本条件的发生，就能导致热带气旋强降水的出现. 杨仁勇等［6］研究表明海南岛的地形对台风降水有增幅作用. 张兴旺［7］考虑了大气中水汽凝结潜热释放作用，推导出非地转湿Q矢量表达式. 近年来，非地转湿Q矢量在台风暴雨诊断分析中得到广泛的应用. 众多学者［8-12］通过台风个例诊断分析发现低层非地转湿Q矢量散度辐合区与强降水落区有较好的对应关系，其演变可以指示未来6～12小时强降水的强度和移动趋势. 本文利用2009—2020年东方市加密自动站的降水数据，统计分析影响东方市的西行或西北行路径TC 极端降水分布特征，同时对TC 典型个例进行环流场分析和物理量诊断，探索TC极端降水成因.

1 资料来源与影响标准

本文使用的资料源自上海台风研究所的CMA 热带气旋最佳路径数据集［13-14］、海南省气象局提供的东方市18 个气象自动站日降水量数据、分辨率为0.0625°×0.0625°CLDAS 大气驱动小时降水数据以及分辨率为0.25°×0.25°的ERA5再分析数据［15］.

参照相关规定［16-17］，本文定义的TC 影响标准是指当TC 进入海南岛TC 影响防区时（图1），在TC 环流控制下，东方市内的地面测站风雨有一项达到以下标准之一：（1）日雨量≥40 mm；（2）过程雨量≥80 mm；（3）平均最大风速≥10 m·s-1；（4）瞬间最大风速≥17 m·s-1时，称东方市受TC影响.

图1 海南岛TC影响防区示意图

TC 的过程降水量指的是测站测量到的TC从进入海南岛TC影响防区时刻（以整点为标记）始至TC离开防区时刻之间这段时间内的累积降水量［18］，为了方便计算，本文把起始和终止时刻定在20 时（北京时，下文同）.

2 TC路径分类和TC极端降水定义

TC 的路径相似度越高，TC 的过程降水统计越具有代表性. 本文将2009—2020 年西行或西北行路径的TC 按照从北到南的空间轨迹细分为四种类型：（1）在珠江口到雷州半岛之间登陆类（简称I 路）；（2）在海南海口到文昌一带登陆类（简称Ⅱ路）；（3）在海南琼海到陵水一带登陆类（简称Ⅲ路）；（4）从海南三亚擦过或近海经过类（简称Ⅳ路）.

本文所定义的TC极端降水指的是东方市18个测站所对应的TC过程降水极大值，并通过站点空间插值分别绘制4 类TC 影响下东方市极端降水分布图；再从每类路径中挑选出造成东方市18 个测站极端过程降水所对应的出现频次最多的TC作为典型个例进行环流场分析和物理量诊断.

3 热带气旋极端降水特征

从TC 过程极端降水分布图可以看出，I 路过程极端降水自西向东递增，降水量最大值落区主要位于东部山区，不小于800 mm. 西部沿海的八所镇、新龙镇、感城镇、板桥镇部分地区极端过程雨量400～600 mm，其余地区600～800 mm（图2a）.

图2 2009—2020年东方市不同路径TC极端降水分布图（a.I路，b.II路，c.III路，d.IV路）

Ⅱ路过程极端降水分布表现北部小、南部大，其中新龙镇、感城镇、板桥镇、天安乡、江边乡、东河镇部分地区极端过程雨量达400～550 mm（图2b），其余地区200～400 mm.

Ⅲ路过程极端降水呈现自南向北递减趋势，其中新龙镇、感城镇、板桥镇、天安乡、江边乡等地区极端过程雨量250～400 mm，其余地区150～250 mm（图2c）.

Ⅳ路过程极端降水分布从西向东递减，西部沿海乡镇过程极端降水超过250 mm，其余大部分地区100～250 mm（图2d）.

4 TC极端降水个例分析

由上文可知，不同路径的TC 影响下，东方市的极端降水量以及降水空间分布有明显的差异. 不同路径的TC对东方市的过程极端降水影响程度依次排序：I路＞II路＞III路＞IV 路，由此可以看出，当TC的路径往海南岛南部调整时，东方市的过程极端降水呈现减弱趋势.为探索这四类路径的TC 过程极端降水的成因，本文按照四类路径挑选出的TC 典型个例依次为：1608 号台风“电母”，1108 号台风“洛坦”，1508号台风“鲸鱼”，1223号台风“山神”（见图3）.

图3 TC典型台风路径示意图

4.1 天气实况1608号“电母”造成东方市过程平均雨量达636.8 mm，台风暴雨时段为2016 年8 月17 日～19 日，其中17 日全市普降大暴雨，有3 个乡镇达特大暴雨，城区182.0 mm，最大为东河镇298.5 mm；18 日全市普降特大暴雨，城区310.6 mm，最大为大田镇427.0 mm；19 日全市普降暴雨到大暴雨，城区132.1 mm，最大为四更镇169.0 mm.

1108 号“洛坦”东方市过程平均雨量309.0 mm，台风暴雨时段为2011 年7 月29 日～30 日，其中29 日全市普降大暴雨，有1个乡镇达特大暴雨，城区78.7 mm，最大为天安乡282.1 mm；30日全市普降大暴雨、有3个乡镇达特大暴雨，城区241.6 mm，最大为新龙镇335.8 mm.

1508 号“鲸鱼”过程平均雨量218.0 mm，台风暴雨时段为2015 年6 月23 日，全市普降大暴雨，有3 个乡镇达到特大暴雨，城区降雨量329.8 mm，最大为板桥镇341.3 mm.

1223号“山神”过程平均雨量180.7 mm，台风暴雨时段为2012年10月28日～29日，其中28日普降大暴雨，城区194.7 mm，最大为感城镇235.7 mm；29 日普降大到暴雨，城区64.7 mm，最大为感城镇157.2 mm.

4.2 环流形势分析对比这4个台风的环流背景发现（图4），1608号“电母”，1108号“洛坦”，1508号“鲸鱼”这三个TC 均是在盛夏生成，具有相似的环流背景：南亚高压强盛，中心强度不小于1680位势什米，TC位于其南侧高层辐散区；季风活跃，从阿拉伯海—孟加拉湾—南海出现明显的西风急流水汽输送带；TC的南侧均伴有风速大于12 m·s-1的西南季风急流，对流发展旺盛；当TC 靠近或登陆海南时，东方市处于TC南侧. 而1223 号“山神”生成于秋季，夏季风衰退，其受到地面冷高、西太平洋副热带高压的相互作用，造成TC 北侧和东侧气压梯度加大出现较强的偏东急流和东南急流；高层高压的辐散抽吸作用有利于“山神”强度加强；“山神”进入北部湾后，东方市处于“山神”东侧的对流云系中. 这4个TC在海南岛防区内的平均移动速度分别为：“电母”12km·h-1、“洛坦”21 km·h-1、“鲸鱼”12 km·h-1、“山神”14 km·h-1，移动速度较缓慢.

图4 100 hPa高度场叠加500 hPa高度场以及850 hPa风场

4.3 物理量诊断

4.3.1 水汽和垂直上升速度诊断绘制东方市（108.62°E，19.10°N）垂直上升速度叠加风场、散度叠加水汽通量散度时间序列图，对比分析这4个TC的动力条件和水汽条件.

1608 号“电母”生成于季风槽内，季风槽伴随TC 登陆造成的降水比孤立的TC 带来的降水更强，伴随登陆的季风槽对TC暴雨无论是空间、时间、还是强度上均有强烈增幅作用［19］. 从时间序列图上可以看出，2016 年8 月17 日～19 日连续三天出现较强的垂直上升速度（见图5a）和低层水汽通量辐合（见图5b）；其中，2016 年8 月17 日东方市处于TC 的西北风和西南风的辐合区，垂直上升速度发展旺盛，强度达-7 Pa·s-1；水汽通量辐合最大达-40×10-5g·cm-2·s-1，水汽通量辐合区从1 000 hPa 延伸至600 hPa；低层辐合强度-25×10-5s-1，高层辐散强度达30×10-5s-1；8 月18 日～19 日白天东方市受TC 环流南侧的西南急流影响，垂直上升速度达-5 Pa·s-1，水汽通量辐合最大达-30×10-5g·cm-2·s-1，雷达基本反射率图显示（图略），TC 南侧的雨带源源不断地从东方市经过，“列车效应”造成东方市强降水长时间维持. 此外，海南岛的水汽通量辐合和垂直上升速度大值区均分布于迎风坡，东方市东部山区的降水量明显大于西部，由此可见地形的抬升辐合对TC降水也具有明显增幅作用.

1108 号“洛坦”影响期间，2011 年7 月29 日夜间至30 日白天东方市位于TC 南侧，处于西北和西南气流的辐合区，垂直上升速度强度达-5 Pa·s-1（见图5c）；低层水汽通量强烈辐合，最大达-80×10-5g·cm-2·s-1；低层辐合强度达-40×10-5s-1，高层辐散强度达40×10-5s-1（见图5d）.

1508号“鲸鱼”影响期间，2015年6月22日夜间～23日白天TC 从海南岛东南部-西北部穿过，东方市位于TC环流南侧，处于西北和西南气流的辐合区，垂直上升速度强度达-3 Pa·s-1，垂直上升速度发展比较旺盛（见图5e）；水汽通量辐合最大达-50×10-5g·cm-2·s-1；低层辐合强度达-20×10-5s-1，高层辐散强度达40×10-5s-1（见图5f）.

1223 号“山神”影响期间，2012 年10 月28 日东方市受TC 东侧的东南急流影响，东方市垂直上升速度达-4 Pa·s-1（见图5g）；低层水汽通量辐合最大为-25×10-5g·cm-2·s-1，水汽条件不如前三者；低层辐合强度-20×10-5s-1，高层辐散强度达25×10-5s-1（见图5h）.

图5 东方市垂直速度叠加风场

总体而言，这四次TC过程均伴有强盛的垂直上升速度，垂直上升速度不小于-3 Pa·s-1，发展高度可从低层延伸至高层；低层具有较强的水汽辐合，水汽辐合强度达不小于-25×10-5g·cm-2·s-1；且具有低层辐合高层辐散的动力配置，低层辐合强度不小于-20×10-5s-1，高层辐散不小于25×10-5s-1.TC 过程降水量与其水汽条件、动力条件以及持续时间紧密相关.

4.3.2 非准地转湿Q矢量诊断 本文采用张兴旺［7］推导的非地转湿Q矢量（简称为湿Q矢量），将850 hPa湿Q矢量散度结合CLDAS大气驱动场逐小时降水数据对极端降水TC个例进行诊断分析.

考虑了水汽凝结潜热释放的非绝热加热作用，P坐标系下非准地转湿Q矢量表达式为Q=(Qx，Qy)，

Qx，Qy分别为X、Y 方向上的湿Q矢量分量，L 为凝结潜热，θ 为位温，其他量为气象常用物理量符号. 湿Q矢量散度为强迫项的非地转ω方程为：

由于湿Q矢量散度（∇·Q）的存在，必然会激发次级环流，使大尺度大气进行调整，直到重建新的热成风平衡.∇·Q∝ω，即可用湿Q矢量散度来诊断垂直运动，当∇·Q＜0，则ω＜0，上升运动；当∇·Q＞0，则ω＞0，下沉运动.

在1608号“电母”影响期间，“电母”结构松散，对流云系主要集中在TC南侧.2016年8月17-18日，湿Q矢量散度辐合区主要分布于海南岛西部，小时强降水落区也分布于海南岛西部.18 日11 时，海南岛处于台风低槽区，海南岛西部正好是迎风坡，湿Q矢量散度辐合区主要分布于海南岛的西北部和西南部（见图6a）.18 日12 时小时强降水落区主要分布于东方市和昌江县的交界（见图6b），即湿Q矢量散度辐合区与辐散区的交界处，东方市小时雨量自西向东增加，最大可达40～50 mm，这可能与山区地形抬升触发中尺度对流发展导致降水增幅有关.19日湿Q矢量辐合区整体西移，逐渐撤离海南岛，降水过程趋于结束.

在1108 号“洛坦”影响期间，2011 年7 月29 日02 时起海南岛自东北向西南方向出现TC 降水过程，湿Q矢量散度辐合大值区同样呈现东北—西南向移动趋势；29 日08 时东方市位于湿Q矢量散度辐合区，开始出现降水天气；29 日20 时湿Q矢量散度辐合加强，东方市正好处于湿Q矢量辐合大值区（见图6c），最大小时降水最大30 mm以上（见图6d），强降水落区与湿Q矢量散度辐合大值区基本对应.

在1508号“鲸鱼”影响期间，2015年6月23日00时“鲸鱼”中心位于海南岛中部，东方市出现小时雨量10 mm以上降水，湿Q矢量辐合主要位于海南岛的西南部，强降水落区分布于海南岛西南部；23日08时东方市西南部处于湿Q矢量辐合大值区（图6e），23日09时小时降水最大不小于40 mm（见图6f）；23日18时后，湿Q矢量辐合明显减弱，东方市降水明显减弱.

在1223号“山神”影响期间，2012年10月27日20时，“山神”位于海南岛南部近海，湿Q矢量散度辐合区位于海南岛南部，与强降水落区对应；东方市处于湿Q矢量散度辐散大值区，东方市的南部为湿Q矢量辐合区与辐散区交界处，东方市小时雨量分布为南多北少.“山神”进入北部湾后向西北西方向移动，湿Q矢量散度辐合大值区也随之西移入海.28日15时，东方市的西部沿海为湿Q矢量辐合区与辐散区交界处（见图6g），同时也是水汽通量辐合大值区.28 日16 时小时最大降水出现在东方市沿海地区，雨强最大达40～50 mm·h-1（见图6h）.

图6 湿Q 矢量散度分布和降水分布图

众多研究［10-14］表明低层非地转湿Q矢量散度辐合区的演变可以指示未来6～12 h 强降水的落区和移动趋势. 本文综合以上4个TC 逐小时湿Q矢量散度分布和小时降水量发现，湿Q矢量散度辐合区与未来0～1 h强降水的落区及移动趋势也有较好的对应关系，强降水多出现在湿Q矢量散度辐合大值区或者湿Q矢量散度辐合区和辐散区的交界处. 湿Q矢量散度结合水汽条件以及地形特征能更准确地判断强降水的落区.

5 结 论

（1）在西行或西北行影响东方市的TC 极端降水分布特征为：I路过程极端降水自西向东递增，降水量最大值落区主要位于东部山区，超过800 mm.Ⅱ路过程极端降水分布表现为北部小、南部大，北部200～400 mm；南部400～550 mm.Ⅲ路过程极端降水呈现自南向北递减趋势，其中南部250～400 mm，北部150～250 mm. Ⅳ路过程极端降水分布从西向东递减，西部沿海乡镇超过250 mm，其余地区普遍在100～250 mm之间. 对比来看，不同路径的TC造成的极端降水量按从大到小排序为：I路＞Ⅱ路＞Ⅲ路＞Ⅳ路.

（2）通过分析代表这4 种TC 路径的4 个TC 极端典型个例发现，I路、Ⅱ路、Ⅲ路极端降水TC 个例均生成于夏季，具有相似的环流背景：南亚高压强盛，中心强度不小于1680位势什米，TC位于其南侧高层辐散区；季风活跃，从阿拉伯海—孟加拉湾—南海出现明显的西风急流水汽输送带；TC的南侧均伴有风速大于12 m·s-1的西南季风急流，对流发展旺盛. 以上3 个TC 均造成东方市日雨量达到特大暴雨级别.Ⅳ路TC个例生成于冬季，高层辐散抽吸有利于TC强度加强；其与冷空气、西太平洋副热带高压共同作用，TC北部和东部出现强劲的偏东急流、东南急流，TC 水汽主要来源于西太平洋；受其影响，东方市的日雨量达大暴雨级别.

（3）从物理量分析来看，这4 个TC 暴雨过程，东方市垂直上升速度不小于-3 Pa·s-1，发展高度从低层延伸至高层；低层具有强烈的水汽通量辐合，水汽通量辐合不小于-25×10-5g·cm-2·s-1；具有低层辐合高层辐散的动力配置，低层辐合强度不小于-20×10-5s-1，高层辐散不小于25×10-5s-1. 从逐小时的湿Q矢量散度场来看，湿Q矢量散度可以较好地表征未来0～1 h 的强降水落区和移动趋势，强降水落区出现于湿Q矢量散度辐合区或湿Q矢量散度辐合区和辐散区的交界处.